CN101136423A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器。该图像传感器包括：衬底，在其上具有光电二极管；介电层，位于所述衬底上；钝化层，位于所述介电层上，将对应于第一滤色镜的区域中的介电层暴露出；和滤色层，位于暴露出的介电层和所述钝化层上。本发明的图像传感器可以增加输出比率比其它颜色低的颜色的输出。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及一种图像传感器以及其制造和使用方法。

背景技术

一般地，图像传感器是用于将光学图像转换为电信号的半导体器件，并且可被划分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。CMOS图像传感器包括各个单位像素中的光电二极管和至少一个MOS晶体管，从而通过处于开关模式中的MOS晶体管检测各个单位像素的电信号。

在依据现有技术的图像传感器制造工艺中，形成钝化层，然后形成滤色层。然而，其缺陷在于：由于钝化层的光透射特性而导致在钝化层中可能损耗掉相当多的光量。

在依据现有技术的钉扎光电二极管(pinned photodiode)中，为了减少或阻止在光电二极管表面上产生暗电流，实施P型杂质离子注入。因此，存在问题为：与相同条件下的绿(G)或红(R)色相比较，在与衬底(Si)的反应中，具有短波长的蓝(B)光的色彩再现性被减少。另外，在依据现有技术的钉扎光电二极管制造工艺中，通常将P型杂质离子注入Si表面以阻止Si表面上的暗电流。

然而，由于蓝光具有短波长，从而具有比其它颜色的光短的光电二极管接收范围，因此靠近Si表面的反应被感应。由于蓝光的接收而生成的电子在前述P型区域中被捕获。结果是，蓝光的输出可能变差。即，依据相关技术，由于靠近Si表面的蓝光的反应(或接收)区域被感应，所以存在电子生成可能要受到注入P型区域影响的问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种图像传感器，其能够根据颜色改善色彩再现性。

依据本发明的一个方案，提供一种图像传感器，其包括：衬底，在其中具有光电二极管；介电层，位于所述衬底上；钝化层，位于所述介电层上，将对应于第一滤色镜的区域中的介电层露出；和滤色层，位于露出的介电层和所述钝化层上。

依据另一方案，提供一种图像传感器，其包括；隔离层，位于衬底上；有源区域，位于衬底中，以使对应于第一颜色的区域比对应于另一颜色的区域深；离子注入区域，位于所述有源区域的整个表面上；光电二极管，位于离子注入区域下面的衬底中；和介电层，位于所述衬底上。

依据又一方案，提供一种图像传感器，其包括有源区域，位于衬底中；离子注入区域，位于所述有源区域的整个表面上；光电二极管，位于离子注入区域下面；介电层，位于所述衬底上，以使对应于第一颜色的区域比对应于另一颜色的区域高；和滤色层，位于所述介电层上。

本发明的图像传感器可以增加输出比率比其它颜色低的颜色的输出。

附图说明

图1是依据第一实施例的示例图像传感器的截面图；

图2至4是示出依据第一实施例的图像传感器的示例制造工艺的截面图；

图5是依据第二实施例的示例图像传感器的截面图；

图6至图8是示出依据第二实施例的图像传感器的示例制造工艺的截面图；

图9是依据第三实施例的示例图像传感器的截面图。

具体实施方式

此后，将参考附图描述依据各种实施例的图像传感器及其制造方法。

在下面实施例的描述中，应当理解的是：当某层(或薄膜)被称为“在”另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上或者还可能存在中间层。另外，应当理解的是，某层(或薄膜)被称为“在”另一层或衬底“下”时，它可以直接在另一层下或者还可能存在一个或多个中间层。此外，还应当理解的是，某层被称为“在”两层“之间”时，它可以是两层之间的仅有层，或者还可能存在一个或多个中间层。

实施例1

图1是依据第一实施例的示例图像传感器的截面图。

依据第一实施例的图像传感器可以包括：层间介电层110，形成在衬底100上，在该衬底100中具有光电二极管105；钝化层120，形成在层间介电层110上，并暴露出对应于预定滤色层的区域中的层间介电层110；滤色层130，形成在钝化层120上；平坦化层(planarization layer)150(参见图4)，形成在滤色层130上；和微透镜160(参见图4)，形成在平坦化层150上。

在依据第一实施例的图像传感器中，滤色层130形成在钝化层120上，用于色彩再现。位于滤色层130下方的钝化层120的一部分被去除，以改善色彩再现性。具体地，具有相对短波长(例如，从大约400nm至大约480nm)的蓝光经由蓝滤色镜132入射在光电二极管105上，然后在Si表面附近产生电子。因此，在滤色层130中，滤色层130至衬底(Si)表面的距离是重要的。

另外，在钝化层120中被用作一层的SiN的透射率经常小于最佳透射率，因此，CIS的特性极大地受到SiN的影响。因此，在第一实施例中通过钝化层120和滤色层130的排列可以改善这样的问题，尤其是蓝色的色彩再现。

此时，在第一实施例中，通过与改善蓝色色彩再现性相同的方法，可以增加绿色/红色滤色镜中输出比率比其他颜色低的颜色的输出。例如，在考虑红色比其他颜色优先的图像传感器设计时，可以去除红滤色镜下面的钝化层来改善红色的色彩再现性，以满足某些客户的需求，从而可以增加产品的销量。

在依据第一实施例的图像传感器中，去除用于特定滤色镜(例如，蓝滤色镜)的钝化层，来改善相应的光线/颜色到达相应的光电二极管的可能性(例如，使相应的光线/颜色到达相应的光电二极管的可能性很高)。另外，可以增加相应颜色的透射，以使相应颜色的再现性可以被明显地增加。在依据第一实施例的图像传感器中，由于通过蓝滤色镜132的光线比通过其它颜色的损耗的少，因此，增大了蓝光的输出。结果是，可以改善了蓝色的色彩再现性。

尽管在第一实施例中去除了相应于蓝滤色镜132的钝化层120部分而没有去除相应于绿滤色镜134的钝化层120部分，但是本发明不限于此。也就是，依据第一实施例，优点在于：使用同样方法(例如，去除第一滤色镜下面的钝化层部分，而不去除其它颜色滤色镜下面的钝化层部分)，可以增加在连续钝化层120情况下(即，蓝、绿或红滤色镜中之一)输出比率比其它颜色低的一种颜色的输出。本发明同样等效地适用于黄/青/品红(YCM)滤色系统和/或用来改善三种滤色镜中的两种滤色镜的相对输出。类似地，通过部分蚀刻滤色镜132或134下面的钝化层120部分(例如，对钝化层120的实施定时蚀刻)，可以改善一种或两种滤色镜的颜色输出。在一个例子中，蓝滤色镜132下面的钝化层120部分可以被完全去除，而红滤色镜134下面的钝化层120部分可以被完全保留(也就是，根本没有被蚀刻)，以及绿滤色镜下的钝化层120部分(未显示)可以被完整地局部去除(即，其厚度小于红滤色镜下的钝化层120的厚度)。

图2至图4是示出依据第一实施例的图像传感器的示例制造工艺的截面图。制造依据第一实施例的图像传感器的工艺如下。

如图2中所示，层间介电层110首先形成于衬底100上，在该衬底100中具有光电二极管105。这里，层间介电层110可包括多层结构。尽管在这个图中没有显示，但是可以形成一个层间介电层，接着形成用于阻止光线(阻挡光线)入射在除了光电二极管105之外的其它部分上的光屏蔽层(未显示)，然后再次形成另一层间介电层。在各种实施例中，该介电层包括一种或更多种氧化物层，例如，通过对例如硅烷或TEOS的氧化物前体(precursor)(通常存在于例如分子氧和/或臭氧的氧化剂中)进行等离子辅助的化学气相沉积而形成的二氧化硅。该光屏蔽层可以包括具有光吸收特性的材料，例如金属、非晶硅或多晶硅、碳化硅(其还可包括氧和/或氢)等。

此后，在层间介电层110上形成钝化层120。钝化层120通常包括有机层，例如聚合体(例如，常规的光致抗蚀剂)，但它可替换地或另外地包括氮化硅和/或二氧化硅。有机钝化层120可以具有大约50nm或更小的厚度，然后受到固化(hard cure)作用。也就是，为了增强所要形成的滤色层130的轮廓和均匀度，钝化层120优选包括在可见光波长中具有较高透明度的有机材料。可选择地，钝化层120可以包括SiN或者基本上由SiN组成。

此后，在钝化层120上可以形成光致抗蚀剂图案140，该光致抗蚀剂图案140将相应于预定滤色镜的区域露出。例如，光致抗蚀剂图案140可以使蓝、绿或红滤色镜区域露出。在第一实施例中，形成将蓝滤色镜区域露出的光致抗蚀剂图案。

如图3中所示，使用光致抗蚀剂图案140作为蚀刻掩模来蚀刻露出的和/或暴露出的钝化层120，从而暴露出预定的(例如蓝色)滤色镜区域中的层间介电层。在一个实施例(例如，当钝化层120包括SiN时)中，可以去除光致抗蚀剂图案140，而将钝化层120用作硬掩模。

如图4中所示，在蚀刻的钝化层120和暴露出的层间介电层110上形成滤色层130。在形成滤色层130时，使用可染色抗蚀剂在钝化层120上实施涂敷和图案化处理，从而形成包括R、G和B滤色镜(例如，132及134)的滤色层130，用于过滤各个波段的光线。这里，通过相对于红色、绿色和蓝色抗蚀剂层选择性地实施的三次(three time)光刻处理形成各个R、G和B滤色镜，从而形成滤色层130。

此时，在形成各个R、G和B(或者Y、C和M)滤色镜之后，实施UV曝光，以改善R、G和B滤色镜的表面的不稳定状态。具体地，在第一实施例中，在暴露出的层间介电层110上可以形成露出的蓝滤色镜132(例如，在已经将相应区域中的钝化层120去除之后，蓝滤色镜132可以直接形成在暴露出的层间介电层110上)，以及在没有露出的滤色镜区域(例如，在没有去除或已经局部去除的钝化层120的相应区域)中可以形成绿滤色镜134和红滤色镜(未显示，可替换地，红滤色镜134和绿滤色镜(未显示))。即，在制造依据一个实施例的图像传感器的方法中，去除用于蓝滤色镜区域的钝化层，以增大蓝光达到光电二极管的可能性。另外，由于可以增加蓝光的透射率，因此可以显著地增加蓝光光电二极管和/或像素的再现性。应当清楚的是，使用相同方法，可以增加输出比率比其它颜色(例如，对应于绿和/或红滤色镜)低的颜色的输出。

此后，常规平坦化层150形成于滤色层130上，微透镜160常规地形成于平坦化层150上。平坦化层可以包括能够容易被平坦化的一种或多种材料，例如，常规的透明抗蚀剂材料(其可以通过在150℃至200℃或250℃的温度范围内对抗蚀剂进行回流处理来平坦化)，或者是可以通过化学机械研磨被平坦化的二氧化硅材料(CMP)。

如上所述，在依据本发明第一实施例的图像传感器及其制造方法中，由于通过预定滤色镜(例如，蓝色)的光线比其它颜色的光线损耗的光量少，因此增加了蓝光光电二极管和/或像素的输出。结果是，可以改善用于蓝光光电二极管和/或像素的再现性。另外，依据第一实施例，优点在于：使用相同方法，可以增加输出比率比其它颜色低的颜色的输出。

实施例2

尽管在第二实施例中还将描述蓝光光敏度的改善，但是该实施例中的基本原理并不限于蓝光。

图5是依据第二实施例的示例图像传感器的截面图。

依据第二实施例的图像传感器可以包括：隔离层(例如，浅沟槽隔离结构230)，形成在衬底210上；有源区域，形成在衬底210中，并且对应于预定颜色的区域低于对应于另一颜色的区域；离子注入区域，形成在有源区域的整个表面上；光电二极管区域220，形成在离子注入区域的下面；层间介电层240，形成在具有光电二极管区域220的衬底210上；滤色层250，形成在层间介电层240上；和微透镜260(参见图8)，形成在滤色层250上。

在一个实施例中，红光(R)光电二极管(未显示)、绿光(G)光电二极管224和蓝光(B)光电二极管222形成在各个光电二极管区域220中。另外，滤色层250包括红(R)滤色镜(未显示)、以及对应于绿光(G)光电二极管224的绿(G)滤色镜254和对应于蓝光(B)光电二极管222的蓝(B)滤色镜252。

此外，第二实施例可进一步包括形成在层间介电层240上的钝化层(未显示)。此时，滤色层250形成在该钝化层上。

在第二实施例中，有源区域具有10nm至100nm的深度差(例如从介电层240中的最上表面至下面的每个有源区域的最上表面的距离之间具有深度差，其中该介电层240可以在全部有源区域上共面)，因此预定光线(例如，蓝光)到达光电二极管的距离D2(参见图8)被最优化，从而改善预定光线(例如，蓝光)的色彩再现性。

图6至图8是示出依据第二实施例的图像传感器的制造工艺的截面图。尽管在第二实施例中将描述蓝光光敏度的改善，但是该实施例的基本原理不限于增强蓝光的光敏度。

依据第二实施例的图像传感器的制造工艺如下。

如图6所示，包括隔离结构230的隔离层首先形成在衬底210中，以限定有源区域。优选地，隔离结构230包括浅沟槽隔离(STI)结构。

此后，如图7中所示，形成使对应于预定颜色的有源区域暴露出的光致抗蚀剂图案235。此时，尽管，预定颜色例示为蓝色，但是它不限于此。

此后，使用光致抗蚀剂图案235作为蚀刻掩模，将暴露出的有源区域蚀刻预定厚度或蚀刻至预定深度，以使在随后形成的用于不同颜色的光电二极管区域中的光接收部分的高度不同。

此时，在第二实施例中，有源区域之间具有10至100nm的深度或高度差(与上述第一实施例的相类似)，因此蓝光到达蓝光光电二极管222的距离D2被最优化，从而可以改善蓝光光电二极管222和/或像素的色彩再现性。

此后，如图8中所示，实施图像传感器的制造工艺。即，去除光致抗蚀剂图案235，以及在被蚀刻的有源区域的整个表面上形成一个或多个离子注入区域。在一个实施例中，离子注入区域可以是p型离子注入区域，例如(深)P阱。可替换或另外可增加的，离子注入区域可以是PN光电二极管的相对浅的反转层(inversion)或表面层。此后，在离子注入区域下面形成光电二极管区域220。此时，在有源(光电二极管)区域220中形成红光(R)光电二极管(未显示)、绿光(G)光电二极管224和蓝光(B)光电二极管222。

此后，在具有光电二极管区域220的衬底210上形成层间介电层240。层间介电层240可以包括多层结构，与用于第一实施例的一样。尽管在这个图中没有显示，但可以形成一个层间介电层，形成光屏蔽层(未显示)，该光屏蔽层用于阻止光线入射到除了相应的光电二极管区域220之外的其它部分，然后，再次形成另一层间介电层，与用于第一实施例的一样。

随后，在层间介电层240上形成用于保护元件免收潮气和擦痕影响的钝化层(未显示)。该钝化层可以包括无机层或有机层。钝化层可以具有大约50nm或更小的厚度，随后(在有机层)受到固化作用。即，为了增强后面将要形成的滤色层250的轮廓和均匀性，钝化层优选包括有机材料，该有机材料在可见光波长中具有较高透明度。

此后，使用可染色抗蚀剂，在层间介电层240上(或在其形成钝化层情况下的钝化层上)实施涂覆和图案化工艺，从而形成用于滤色层250的预定滤色镜，用于过滤各个波长段的光线。滤色层250一般包括红(R)滤色镜(未显示)、绿(G)滤色镜254和蓝(B)滤色镜252，其中绿(G)滤色镜254和蓝(B)滤色镜252分别对应于光电二极管区域224和222。可替换地，滤色层250可以包括黄(Y)滤色镜、青(C)滤色镜和红紫(M)滤色镜。

这里，通过相对于R、G和B的彩色光致抗蚀剂层(color resist layer)选择性实施三种光刻处理，来形成各个R、G和B滤色镜，从而完成滤色层250，但是形成该层的准确顺序通常不是本发明的要点。此时，在形成各个R、G和B滤色镜之后，实施UV曝光，以改善R、G和B滤色镜的表面的不稳定状态。

此后，为了调整焦距以及确保随后形成的透镜层的上表面平坦，平坦化层(未显示)被形成在滤色层250上。此后，在滤色层250上(或在形成平坦化层的情况下的平坦化层上)形成微透镜260。该微透镜260可以通过沉积、曝光、显影和回流用于微透镜的抗蚀剂图案来形成。

在依据第二实施例的图像传感器的制造方法中，将光电二极管的光线接收部分选择性地蚀刻预定厚度或蚀刻至预定深度，以使用于不同颜色的光电二极管的光线接收部分的高度是不同的。因此，接收蓝光的区域可以被最优化，以改善蓝光光电二极管和/或像素的色彩再现性。

实施例3

图9是依据第三实施例的图像传感器的截面图。

依据第三实施例的图像传感器可包括：有源区域，由形成在衬底210上的隔离层230所限定；离子注入区域，形成在有源区域的整个表面上；光电二极管区域220，形成在离子注入区域下面；层间介电层245，形成在包括光电二极管区域220的衬底210上，以使对应于预定颜色的区域低于对应于另一颜色的区域；滤色层250，形成在层间介电层245上；微透镜260，形成在滤色层250上或上方。可选地，可以在层间介电层245上进一步形成钝化层(未显示)，并且与第一实施例中一样蚀刻该钝化层。

依据第三实施例的图像传感器具有与第二实施例共同的将要解决的问题和解决该问题的原理。即，在第二实施例中，包括光线接收部分的有源区域被蚀刻，以使蓝光可以到达光电二极管的最佳位置，从而调整在CIS器件中接收蓝光的(聚焦)距离。在第三实施例中，层间介电层245和钝化层(未显示)也被蚀刻，以使蓝光到达光电二极管的最佳位置。

依据第三实施例的图像传感器的制造方法可以使用第一和/或第二实施例的方法。然而，第三实施例与第二实施例的不同之处在于：其使用蚀刻层间介电层245(或钝化层)来取代蚀刻有源区域或除有源区域之外还蚀刻层间介电层245(或钝化层)的方法。依据第三实施例的图像传感器的制造方法如下。

首先，在衬底210上形成隔离层230，以限定有源区域，然后可以将有源区域中的一个(或两个)有源区域蚀刻至预定深度(例如，通过对硅衬底的定时蚀刻)，以形成10至100nm的高度或深度差，与第二实施例中的一样，以最优化预定(例如，蓝色)光线到达光电二极管的距离，从而改善预定光线(例如，蓝色)的再现性。此后，在有源区域的整个表面上形成离子注入区域。在一个实施例中，离子注入区域与第二实施例中的一样相对较浅。

此后，在离子注入区域下面形成光电二极管区域220(例如，222、224)，在其中具有光电二极管区域220的衬底210上形成层间介电层245。随后，将对应于预定颜色(例如，蓝)的层间介电层245区域曝光的光致抗蚀剂图案(未显示)形成在层间介电层245上，并使用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模将曝光的层间介电层245蚀刻预定厚度或蚀刻至预定深度。

此时，在第三实施例中，层间介电层245还可以具有10至100nm的深度或高度差，与第一实施例中的一样，从而可以进一步最优化蓝光到达蓝光光电二极管222的(聚焦)距离，以改善蓝光、光电二极管和/或像素的色彩再现性。

此后，去除光致抗蚀剂图案，并在蚀刻的层间介电层245上形成滤色层250。另外，在第三实施例中，钝化层(未显示)可以进一步形成在层间介电层245上。可以将钝化层蚀刻为具有阶梯差，与第一实施例中的一样(取代层间介电层245或除层间介电层245之外)，并在钝化层上形成滤色层250。此外，在第三实施例中，平坦化层255可以被进一步形成在滤色层250上。然后，将微透镜260形成在平坦化层255上，或者如果理想的(例如，滤色层250具有平坦的上表面)，也可以将微透镜260形成在滤色层250上。

依据第三实施例，选择地蚀刻层间介电层245或钝化层(未显示)，以使光电二极管的光线接收部分的高度(或焦距)不同。因此，接收蓝光的光电二极管区域可以具有最优焦距，以改善蓝光电二极管和/或像素的色彩再现性。

如上所述，在图像传感器及其制造方法中，在光线接收光电二极管上方的材料部分可以被选择性地蚀刻预定厚度或深度，以使光电二极管的光线接收部分的高度或焦距不同。因此，接收预定颜色(例如，蓝色)的区域可以具有最优化的焦距，以改善蓝光的色彩再现性。

进一步，依据第三实施例，优点在于，可以改善预定颜色(例如，蓝色)的光敏度。

此外，依据第三实施例，可以选择性地蚀刻层间介电层或钝化层，以使光电二极管的光接收部分的高度或焦距不同。因此，接收预定颜色(例如，蓝色)的区域可以被最优化，以改善蓝光的色彩再现性。

在本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”，“示例性实施例”等，都意味着结合实施例所描述的特定的特征、结构、或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处出现的这些词语并不一定都指同一个实施例。此外，当结合任一实施例来描述特定的特征、结构、或特性时，则认为其落入本领域技术人员可以结合其它的实施例而实施这些特征、结构或特性的范围内。

虽然以上参考本发明的多个示例性实施例而对实施例进行了描述，但应理解的是，本领域人员可以导出落在此公开的原理的精神和范围内的其它任何改型和实施例。更具体地，可以在此公开、附图以及所附权利要求书的范围内对组件和/或附件组合排列中的排列进行各种变更与改型。除了组件和/或排列的变更与改型之外，本发明的其他应用对本领域技术人员而言也是显而易见的。

Claims (20)

1.一种图像传感器，其包括：

衬底，在其上具有光电二极管；

介电层，位于所述衬底上；

钝化层，位于所述介电层上，并暴露出对应于第一滤色镜的区域中的介电层；和

滤色层，位于暴露出的介电层和所述钝化层上。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述滤色层包括：

第一滤色镜，位于暴露出的介电层上；和

第二滤色镜，位于所述钝化层上。

3.如权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：

平坦化层，位于所述滤色层上；和

微透镜，位于所述平坦化层上。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述钝化层暴露出蓝滤色镜区域。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述钝化层暴露出绿滤色镜区域。

6.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述钝化层暴露出红滤色镜区域。

7.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述钝化层包括SiN。

8.一种图像传感器，其包括：

隔离层，位于衬底上；

有源区域，位于所述衬底中，以使对应于第一颜色的区域比对应于另一颜色的区域深；

离子注入区域，位于所述有源区域的整个表面上；

光电二极管区域，位于所述离子注入区域下面的衬底中；和

介电层，位于所述衬底上。

9.如权利要求8所述的图像传感器，进一步包括：

滤色层，位于所述介电层上；和

微透镜，位于所述滤色层上或上方。

10.如权利要求9所述的图像传感器，其中所述滤色层不具有阶梯差。

11.如权利要求8所述的图像传感器，其中所述有源区域具有10nm至100nm的深度差。

12.如权利要求8所述的图像传感器，进一步包括钝化层，位于所述介电层上。

13.如权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一颜色为绿色。

14.一种图像传感器，其包括：

有源区域，位于衬底中；

离子注入区域，位于所述有源区域的整个表面上；

光电二极管区域，位于所述离子注入区域下面；

介电层，位于所述衬底上，以使对应于所述第一颜色的区域比对应于另一颜色的区域高；和

滤色层，位于所述介电层上。

15.如权利要求14所述的图像传感器，进一步包括微透镜，位于所述滤色层上。

16.如权利要求14所述的图像传感器，其中所述滤色层在各颜色之间具有阶梯差。

17.如权利要求16所述的图像传感器，其中对应于所述第一颜色的第一滤色镜比对应于另一颜色的滤色镜高。

18.如权利要求14所述的图像传感器，其中所述介电层具有10nm至100nm的深度差。

19.如权利要求14所述的图像传感器，进一步包括钝化层，位于所述层间介电层上。

20.如权利要求14所述的图像传感器，其中所述第一颜色为绿色。

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